CN110494648A - 基于位置对机舱运动的减振 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机的控制，其中，通过使用叶片桨距减小机舱振动。基于机舱位置信号，减小机舱振动。基于位置信号确定桨距信号并将其应用至桨距可调的转子叶片，用以减小机舱振动。

Description

基于位置对机舱运动的减振
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的控制，其中，通过使用叶片桨距对机舱减振。
背景技术
本领域已知的风力涡轮机包括支撑机舱的风力涡轮机塔和转子，所述转子具有多个桨距可调的转子叶片。示例性风力涡轮机是水平轴线风力涡轮机，其中，机舱位于塔顶处，但是也已知多转子结构，诸如具有以从中央塔结构延伸的一个或多个支撑臂的形式定位在塔结构处的机舱的多转子涡轮机。
风力涡轮机易于遭受振动，这是因为它包括放置在细长塔或塔结构末端的大质量。这些振动包括机舱在横向方向以及在前后方向上的运动。在本领域中已知的是：通过主动对叶片变桨以产生反作用力以减小机舱运动，缓解振动。
在这方面，叶片桨距的总体调节，其中，所有转子叶片以相同的桨距角调节，可用于反作用前后方向上的震荡。这是通过改变推力来实现的。对于横向振动，单独的叶片桨距调节可用来反作用塔的横向震荡。单独的叶片桨距调节为每个转子叶片提供单独的桨距角设置以生成横向合力。
在US 7692322(Mitsubishi Heavy Industries)中，描述了一种具有主动减弱方法的风力涡轮机。在该专利文献中，描述了通过确定用于在转子叶片上产生推力的总桨距角的调节来减弱前后机舱振动，使得抵消机舱的振动。总桨距角的调整是基于机舱运动的速率估计，在前后方向上检测的加速度信号确定。
正是在这种背景下设计了本发明。
发明内容
实现用于减弱机舱运动的改进装置将是有利的。在这方面，提供用于减弱机舱在前后方向上的运动的改进装置将是有利的。
本发明的发明人已经意识到，当使用主动变桨来减弱塔振动时，存在风力涡轮机控制系统的速率控制器与塔之间的自感应共振的风险。特别是，存在在高塔和/或软塔中不必要的耦合风险。
在风力涡轮机的减弱控制中，控制定律可基于风力涡轮机系统作为粘滞阻尼器(弹簧质点系统)的模拟，其中，以给定质量的物体形式的机舱位移由包括阻尼系数和刚度系数(弹簧常数)的二阶微分运动方程决定。可通过施加与质量(即机舱和转子)的速度相反的阻尼力来衰减这种系统。这可以通过施加基于在机舱前后方向上的运动确定的速度的总桨距调节来完成。
然而同时，基于转子速率控制器，确定总桨距设置，通过根据转子速率变化确定总桨距设置，该转子速率控制器寻求控制围绕给定操作点的转子速率动力学情况。
当塔在前后方向上运动时，转子所经历的局部风的速率将随塔运动而振荡。当改变总桨距角以调节转子速率时，塔同时受到影响。并且当影响塔运动以减小振动时，经由局部风速影响，转子动力学情况受到影响，这又将经由总桨距调节，影响转子速率的调节。这可能导致风力涡轮机控制系统的速率控制器与塔之间的不期望的自感应共振。
在本发明的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括支撑机舱的塔结构和具有多个桨距可调的转子叶片的转子，该方法包括：
获取指示机舱位置的位置信号；
基于位置信号确定第一桨距信号，确定第一桨距信号以减小机舱振动；和
将第一桨距信号应用到桨距可调的转子叶片。
通过基于机舱位置的桨距信号，获取机舱运动的稳定性，并且可通过简单但鲁棒的控制策略来减少机舱运动的不期望的振动，这限制或甚至避免了在风力涡轮机控制系统和塔之间耦合的不期望问题。
对于高和/或软塔或塔结构，优点可最明显。
在这方面，软塔/塔结构可以理解为第一结构模式频率在0.025Hz和0.3Hz之间的频率范围内的塔结构。这个频率范围可有利地在0.1Hz至0.2Hz的范围内。另外还可考虑塔刚度和转子控制器带宽以便将塔表征为软塔。“软塔”的表征经常出现在高塔，例如轮毂高度超过100米的塔。
在另外的方面，提供了一种计算机程序制品，其包括在数据处理系统上执行时根据第一方面适配为控制风力涡轮机的软件代码。
另外的方面还包括用于风力涡轮机的具有适当的硬件设备的控制系统，其包括用于处理控制信号的输入和输出模块以及用于实现第一方面的方法的处理模块。此外，提供了一种包括控制系统的风力涡轮机。
计算机程序制品可在计算机可读存储介质上提供或者可从通信网络下载。该计算机程序制品包括用于引起数据处理系统的指令，例如，在加载到数据处理系统时，以控制器的形式执行指令。
经常，控制器可以是单元功或能单元的集合，其包括一个或多个处理器，一个或多个输入/输出接口和能够存储可由处理器执行的指令的存储器。
经常，本发明的各个方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。参考下文描述的实施方式，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得明显并得以阐明。
附图说明
参考附图，仅作为示例描述了本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了风力涡轮机(图1A)以及前后振动运动的示意图(图1B)；
图2示出了实施方式的总体控制方案；
图3示出了前后减振单元的实施方式；
图4和图5示出了示例性曲线图；以及
图6示出了多转子风力涡轮机。
具体实施方式
图1A在示意性的透视视角中示出了风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔2、设置在塔的顶点处的机舱3、和转子4，所述转子可操作地耦合到机舱3内部的发电机。除了发电机，机舱容纳了将风能转换成电能所需的杂项部件以及操作、控制和优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心毂5和从中心毂5向外突出的多个叶片6。在所示实施方式中，转子4包括三个叶片6，但数量可变化。此外，风力涡轮机包括控制系统。控制系统可放置在机舱内部或分布在涡轮机内部(或外部)的多个位置处且可通信地连接。转子叶片是桨距可调的。转子叶片可以至少根据总桨距设置调节，其中，每个叶片设置到相同的桨距值。除此之外，转子叶片还可以根据单独桨距设置进行调节，其中，每个叶片提供有单独的桨距设置。
涡轮机可以在前后方向7上振动，即垂直于转子平面的方向。所述振动的方面在图1B中示意性地示出。在该图中，涡轮机通过塔结构示意性地示出，该塔结构固定在一端并且在自由端提供有质量，通过参考标号10指示。当塔顶沿前后方向7振动时，位置y，表征机舱位置，在振动期间的最大塔偏转限定的两个最大值之间变化。位置y可以为在通过在前后运动限定的方向上的机舱位置的位置表示。该位置可以是，例如，机舱的质心位置、相关传感器的位置、或表示机舱在前后方向上的运动的其他固定点的位置。
在本发明的一般实施方式中，振动运动通过以下大致步骤在前后方向7中减弱：获取指示机舱位置的位置信号，即确定y。基于位置信号，确定用于减弱机舱在前后方向上运动的浆距信号。最后应用桨距信号于桨距可调的转子叶片。
在反馈速率控制器的背景中，所述一般实施方式在图2中示出。反馈速率控制器经常用在所谓的满载模式中，其中，在风中有足够的能量，即风速足够高，以使风力涡轮机以其额定功率输出操作。在一个实施中，满载速率控制器最小化实际发电机速率ω与基准速率ωref之间的速率误差(ω-ωref)，以便输出所需功率。这可通过基于转子速率来确定将由风力涡轮机(WT)的桨距可调的转子叶片施加的总桨距基准来获取。反馈速率控制器可通过PI、PID或类似的控制方案来实现，其中总桨距基准是考虑到速率误差的输出。在满载模式中，风力涡轮机通过调节总桨距角被操作输出独立于风速率的恒定功率输出，该总桨距角被控制以通过调节总桨距角来保持转子速率恒定在额定速率处。
在一般实施方式中，得到的桨距基准θr是基于机舱位置的。这在图2的实施方式中通过以下实现：确定由速率控制器确定的总桨距基准θcol和由前后减振单元(FAVR)确定的桨距偏移θd组合的总桨距基准θr，用于在前后方向上提供振动的减小和机舱运动的减弱。
由速率控制器通过考虑转子速率以及可能还有其他传感器值，确定总桨距基准，在图2中表示为测量设定ms。基于机舱位置，确定桨距偏差，例如，通过增益系数乘以机舱位置值。
在一般实施方式中，可以任何合适的方式确定机舱位置。在下面进一步详细讨论的实施方式中，基于指示机舱运动的测量加速度信号(例如，从定位于塔顶的加速度计获取，如图1的参考标号8示意性地示出)，确定位置。经常地，位置信号可通过被布置为输出指示机舱位置的信号的其他合适的方式获取，包括但不限于：GPS信号、倾角仪、惯性测量单元(IMU)、卡尔曼滤波器。
在实施方式中，除了所述位置之外，前后减振单元FAVR被实现为，除了所述位置外，也考虑指示机舱在前后方向上运动速度的速度信号，以及基于速度信号确定第二桨距信号并应用第二桨距信号到桨距可调的转子叶片。在这方面，位置信号可被看作用于确定第一桨距信号。
第一桨距信号被确定为基于位置信号降低机舱振动，并且第二桨距信号被确定为基于速度信号降低机舱振动。因此，桨距系统通过第一、第二或这两个桨距信号致动从而产生推力，所述推力导致位置信号和/或速度信号的减弱。降低机舱振动的第一桨距信号的确定和降低机舱振动的第二桨距信号的确定可以是：基于位置信号和/或速度信号之间的函数关系和具有在前后运动上的减振作用的桨距致动，确定桨距信号。
在也考虑速度的实施方式中，对桨距可调的转子叶片的合桨距信号θr可为总桨距基准和第一桨距信号的组合信号、或总桨距基准和第一桨距信号以及第二桨距信号的组合信号。可通过布置成输出指示机舱速度的信号的的任何合适的装置来获取速度信号，包括但不限于基于GPS信号、倾角计信号、惯性测量单元(IMU)信号、卡尔曼滤波器的信号。
速度v可为在由前后运动限定的方向上的机舱速度的速度表示。速度可为，例如，机舱的质心速度、相关传感器的速度、或表示机舱在前后方向上运动的其他固定点的速度。
图3示出了在图2中FAVR单元的实施方式，其中，通过加速度计，获取测量的加速度计信号a，该加速度计被放置在使得在机舱的前后方向上的运动加速度可被测量，参见在图1上的参考8。
加速度信号通常可用作原始信号，但是经常信号被预处理PP到一定程度。这种预处理可为抗混叠滤波器的应用以去除进一步使用所不需要的任何高频内容。在预处理期间，可以应用包括其他带通滤波器的其他滤波器。
通过应用一系列滤波器到信号来进一步处理加速度信号(或其预处理版本)。在所示的实施方式中，通过以下方式获取指示塔顶位置的估计位置信号y：顺序地应用加速度信号的第一积分(F1)获取估计的速度信号v以及速度信号的第二积分(F2)获取位置信号y。一般地，可以应用可积分输入信号的任何合适的滤波器。在实施方式中，第一和第二积分可实现为泄漏积分器。泄漏积分器可实现为一阶低通滤波器，其以低于第一前后模式频率的中断频率调谐，该频率是包括塔、转子、机舱、以及可选地还有基座的系统的频率。
桨距可调的转子叶片的第一桨距信号，在所示实施方式中为桨距偏差θd，可被确定为估计位置y，其乘以第一增益G1。
在实施方式中，指示塔顶运动速率的速率信号可被获取为估计速度信号v，其在第一积分F1之后产生。
桨距可调的转子叶片的第二桨距信号可被确定为估计速度v，其乘以第二增益G2。可以基于调谐控制回路的标准方法来确定增益(G1，G2)。
在该实施方式中，要被加到总桨距信号的桨距信号，即桨距偏差θd，是第一(位置)和第二(速度)桨距信号的和。如上所述，在一个实施方式中，本发明可以通过仅基于位置信号来实现桨距偏移。在这样的实施方式中，这可以通过将增益G2设置为零来获取。
在另一个实施方式中，也如图3所示，在确定第一桨距信号之前，高通滤波(HP)位置信号。通过高通滤波估计位置，可确保仅减弱特定操作点周围的振动。当基于在位置反馈来减弱振动时，控制器将迫使位置到基准位置。通过应用高通滤波器至位置信号，相对于机舱的当前操作点，振动减弱，而不需要限定基准位置。
在图2和图3相结合中描述的实施方式的总体优点是位置和速度测量或估计不必具有正确的绝对值，只要信号与在感兴趣的频率区域中的实际值相关联。
图4示出了通过图3中所限定的方法获取的速度估计(顶部)和位置估计(底部)的时间轨迹。可以看出，估计的信号跟随测量的信号。估计的位置是基于以零为中心的高通滤波器(HP)。
图5示出了通过应用桨距偏差至由本发明所述实施方式所确定的总桨距的合桨距角和塔顶位置的时间序列。
在上图中，桨距角被示为被桨距偏差增加到总桨距(点状线)以及桨距偏差没有增加到总桨距(实线)。可以看出，仅叠加了轻微的桨距变化。
在下图中，示出了通过桨距偏移(虚线)的应用来减弱塔振动的情况中的模拟塔顶位置与不执行塔减振(实线)的情况的对比。下图还示出了塔顶位置的快速傅里叶变换(FFT)。
可以看出，塔顶位置经常通过减弱方法的应用来减小。这反映在频率曲线图中为在0.1Hz处的谐振减小。
图6示出了多转子涡轮61的示例，其具有安装到公共支撑结构63的四个机舱模块(风力涡轮机模块)62。每个风力涡轮机模块是风力涡轮机发电实体，并且原则上是常见的具有转子、发电机、转换器等的单转子风力涡轮机的发电部分，而支撑结构63是塔结构64的一部分，所述塔结构包括以用于保持风力涡轮机模块的支撑臂装置65形式的塔结构的部分。多转子布局可与所示的不同，包括更多或更少的机舱模块，以不同的方式布置在公共支撑结构中。
每个机舱模块可在前后方向60(在纸平面中进出)中振动。在本发明的实施方式中，可通过单转子涡轮机描述的方法的应用减弱这种振动。可以基于在每个风力涡轮机模块的前后方向上的加速度测量，确定对于每个风力涡轮机模块的桨距偏差，加速度计可布置为每个风力涡轮机模块测量相关机舱的加速度。所述方法可对于每个风力涡轮机模块实现。
尽管已经结合具体实施方式描述了本发明，但是不应该将其解释为以任何方式限制于所给出的示例。本发明可通过任何合适的方式实现；且本发明的范围应根据所附的权利要求来解释。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括支撑机舱的塔结构和具有多个桨距可调的转子叶片的转子，所述方法包括：
获取指示机舱位置的位置信号；
基于位置信号，确定第一桨距信号，第一桨距信号被确定用以减小机舱振动；和
将第一桨距信号应用至桨距可调的转子叶片。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
获取指示机舱运动速度的速度信号；
基于速度信号，确定第二桨距信号，第二桨距信号被确定用以减小机舱振动；和
将第二桨距信号应用至桨距可调的转子叶片。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
确定用于桨距可调的转子叶片的总桨距基准，基于转子速率确定总桨距基准，
应用得到的桨距信号至桨距可调的转子叶片，得到的桨距信号是总桨距基准和第一桨距信号的组合信号，或者是总桨距基准与第一桨距信号和第二桨距信号的组合信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，由反馈控制基于最小化实际转子速率和基准转子速率之间的速率误差，确定总桨距基准。
5.根据权利要求中3或4所述的方法，其中，在满载控制模式中，得到的桨距信号被应用到桨距可调的转子叶片。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，机舱位置指示机舱在前后方向上的定位，和/或其中，机舱运动速度指示机舱在前后方向上运动的速度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机包括被定位以测量机舱的加速度信号的加速度计，并且其中，所述方法包括：
获取在前后方向上的加速度信号；
通过顺序地应用加速度信号的第一积分获取估计的速度信号和速度信号的第二积分获取位置信号，获取指示塔顶在前后方向上位置的位置信号作为估计的位置信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括：
获取指示塔顶运动速度的速度信号作为估计的速度信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，至桨距可调的转子叶片的第一桨距信号被确定为估计的位置乘以第一增益。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，至桨距可调的转子叶片的第二桨距信号被确定为估计的速度乘以第二增益。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在确定第一桨距信号之前，位置信号被高通滤波。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，塔结构的第一结构模式频率在0.025Hz和0.3Hz之间的频率范围中。
13.一种计算机程序制品，包括：适配为当被在数据处理系统上执行时控制风力涡轮机的软件代码，该计算机程序制品适配为执行权利要求1-12中任一项所述的方法。
14.一种用于风力涡轮机的控制系统，包括支撑机舱的塔结构和具有多个桨距可调的转子叶片的转子，该控制系统包括：
输入模块，其布置成获取指示机舱位置的位置信号；
处理模块，其布置成基于位置信号，确定第一桨距信号，所述第一桨距信号被确定用以减小机舱振动；和
桨距系统，其布置成将第一桨距信号应用到桨距可调的转子叶片。
15.一种风力涡轮机，包括支撑机舱的塔结构和具有多个桨距可调的转子叶片的转子，所述风力涡轮机结构还包括：根据权利要求14所述的控制系统。
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